Bitüm Emdirilmiş Atık Mukavva Levhaların Asfalt Betonunda Kullanılabilirliğinin Araştırılması * 1 Metin İPEK, 2 Kemalettin YILMAZ, 3 Barış GÖKÇEK, 2 Hüseyin ULUGÖL, 1 Kutalmış Recep AKÇA 1 Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi İnşaat Müh. Böl. Esentepe Kampüsü Sakarya, Türkiye 2 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi İnşaat Müh. Böl. Esentepe Kampüsü Sakarya, Türkiye 3 Onduline Avrasya A.Ş., Sakarya, Türkiye Özet Bu çalışmada, bitüm emdirilmiş mukavvadan imal edilen çatı kaplama levhalarının üretimi esnasında atık olarak ortaya çıkan malzemenin asfalt karışımında kullanılabilirliği araştırılmıştır. Bitümlü mukavva üretimi sırasında üretim hataları veya süreçteki bazı aksaklıklardan kaynaklanan atıklar oluşmaktadır. Bu atıklar, fabrikada kırma makinası sayesinde parçalanarak granül hale getirilerek depolanmaktadır. Çalışmada, kırılmış bitümlü atık malzeme, farklı oranlarda asfalt betonundaki ince agrega yerine kullanılarak numuneler üretilmiştir. Numuneler üzerinde, elek analizi, özgül ağırlık deneyi, su emme deneyi, penetrasyon, yumuşama noktası, vizkozite tayini, kül miktarı analizi, sıkıştırma ve marshall stabilite testi gerçekleştirilmiştir. Karayollarının asfalt betonu dizayn sonuçlarıyla karşılaştırıldığında bu malzemenin karışımdaki ince agreganın yerine %7,5 oranına kadar binder ve aşınma tabakalarında kullanılabileceği, %20 ye kadar ise sadece binder tabakasında kullanılabileceği görülmüştür. Bu malzemenin asfalt betonunda kullanılmasıyla bir geri dönüşüm sağlanarak hem çevresel olumsuz etkiler bertaraf edilmiş olacak, hem de ekonomik bir katkı sağlanmış olacaktır. Anahtar kelimeler: Bitüm, asfalt betonu, atık Abstract In this study, usability of waste material -which occurs during the production of roofing sheet that is manufactured from paperboard- in asphalt mixture was investigated. The waste can occur due to manufacturing defects or some other inconveniences in process during the production of bitumenimpregnated paperboard. The waste is stored after making granulated by means of crushers in factory. In the study, fine aggregates were replaced by crushed waste material in different ratios while the specimens were manufactured. Sieve analysis, specific gravity, water absorption, penetration softening point, viscosity, ash content analysis, compaction and Marshall stability tests were carried out on the specimens. As the result of the study, it was observed that the waste material can be used at binder and wearing course until replacement of 7.5%; at only binder course until the replacement of 20% while the result of the study is compared with asphalt concrete design results of General Directorate of Highways. By means of the use of the waste material in asphalt concrete, environmental negative effects will be removed and it will also make an economic contribution with recycle. Keywords: Bitume, asphalt concrete, waste *İletişim yazarı: Adres: Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi İnşaat Müh. Bölümü Esentepe Kampüsü 54187 Sakarya, Türkiye. E-mail adresi: metini@sakarya.edu.tr, Tel: +902642956476 Fax: +902642956424
M. İPEK et al./ ISITES2015 Valencia -Spain 1833 1. Giriş Onduline Avrasya A.Ş. nin Sakarya da kurulu bulunan tesisinde bitümlü ondüline çatı kaplama levhalarının üretimi yapılmaktadır. İşletmede "Onduline" adı altında renkli, oluklu, çatı, cephe ve tavan kaplama levhaları üretilmektedir. Üretimin temel ilkesi, bitkisel (selüloz) liflerin, bitümle birleştirilmesinden oluşmaktadır. Hammadde olarak hurda kâğıt ve bitüm kullanılmaktadır. Yıllık ortalama 30 000 ton kağıt geri dönüşümü sağlanmaktadır. Hurda kâğıt piyasadan, bitüm ise TÜPRAŞ rafinerilerinden temin edilmektedir. Levha üretimi için önce, ambardan gelen hurda kâğıt hamur hanede döner karıştırıcılı tanklarda su ile çözülerek kâğıt hamuru hazırlanmakta ve bu hamur karton makinasından geçirilerek düz veya oluklu ham karton üretilmektedir. Elde edilen ham karton, brülörle ısıtılan kurutma tünelinde 220-250 C'de yaklaşık olarak 20 dakika kurutularak, her dokuz olukta bir otomatik olarak kesilip, istifleme ünitesine alınmaktadır. İstifleme ünitesinde, otomatik olarak istiflenen ürünler, buradan otomatik bitümleme sistemine girerek, ortalama 30 dk 180 C bitümle muameleye sokularak, bünyesine ağırlığı oranında bitüm almaktadır. Otomatik bitümlemeden çıkan ürünler, otomatik soğutma sisteminden geçerek ortam sıcaklığına kadar soğutulduktan sonra otomatik istifleme sisteminde paletlenerek, kalite kontrol işlemlerine tabi tutulmaktadır. Standart dışı olan ürünler ve üretim esnasında fire olan ürünler ise 2.kalite ve/veya ıskarta olarak ayrılarak değerlendirilirler. Zamanla biriken bu ürünler kırma makinaları sayesinde mekanik olarak kırılarak depo edilmektedir. Bu çalışmada, Onduline Avrasya A.Ş. nin Sakarya kurulu bulunan tesisinde üretilen bitümlü ondüline çatı kaplama levhalarının üretimi esnasında artık olarak ortaya çıkan malzemenin asfalt karışımında kullanılmasına yöneliktir. 2. Malzeme ve Metot 2.1. Malzeme 2.1.1. Bitüm Emdirilmiş Mukavva Levha (Onduline) Atıkları Bitüm emdirilmiş mukavva levha (onduline) atıkları kırma makinaları sayesinde mekanik olarak kırılarak depo edilmektedir. Onduline artık malzeme fabrikada kırılma işlemine tabi tutularak 0-5 mm boyutlarına getirilmiştir (Şekil 1). Kırılma işleminden geçen malzemeye elek analizi yapılarak Şekil 2 deki granülometri eğrisi elde edilmiştir.
Elekten Geçen M. İPEK et al./ ISITES2015 Valencia -Spain 1834 Şekil 1. Kırılmış onduline artık malzeme numunesi 100 90 80 Ondülün Atığı 70 60 50 40 30 20 10 0 0,01 0,10 1,00 Elek Boyutu (mm) Şekil 2. Onduline artığının elek analizi grafiği
Elekten Geçen M. İPEK et al./ ISITES2015 Valencia -Spain 1835 Asfalt karışımlarının hazırlanmasında kullanılmak üzere uygun tane dağılımına sahip 3 farklı tip agregalar, Karayollarının belirlediği sınır tane dağılımına uygun hale getirilmek üzere karıştırılmıştır. Karışımda, doğal kum %40, I nolu mıcır %30 ve II nolu mıcır %30 oranlarda kullanılmış olup maksimum agrega tane boyutu 25 mm olarak belirlenmiştir. Karayollarının belirlemiş olduğu alt ve üst sınır tane dağılımı ile deneylerde kullanılan agreganın tane dağılımı Şekil 3 de verilmiştir. 100 90 80 Alt Sınır Üst Sınır Deneyde Kullanılan Agrega 70 60 50 40 30 20 10 0 0,01 0,10 1,00 10,00 Elek Boyutu (mm) Şekil 3. Karayollarının belirlemiş olduğu alt ve üst sınır tane dağılımı ile deneylerde kullanılan agreganın tane dağılımı grafiği Onduline levhalarda kullanılan bitüm ve artık malzeme üzerinde yapılan deneyler sonucunda fiziksel özellikler belirlenmiş ve Tablo 1 de verilmiştir (Şekil 4). Bu tabloda bitümlü artık Onduline nin özgül ağırlığı, bitümün penetrasyonu ve yumuşama noktası ile artıktaki kül miktarı gösterilmiştir. Tablo 1. Bitüm ve artık malzemeye ait fiziksel özellikler Ondülin artığının özgül ağırlığı 0,77 gr/cm 3 Bitümün özgül ağırlığı 1,05 gr/cm 3 Bitümün penetrasyonu 72 Bitümün yumuşama noktası 48 C Kül miktarı %13,6
M. İPEK et al./ ISITES2015 Valencia -Spain 1836 Şekil 4. Bitüm üzerinde yapılan deneyler 2. 2. Metot Yeterli miktarda kırılmış bitümlü artık malzeme tesisten alınarak Sakarya Üniversitesi Mühendislik Fakültesi İnşaat Mühendisliği Laboratuvarına getirilmiştir. Üniversitemiz laboratuvarında, sıkıştırma testi, Marshall stabilite testi [1,2], Yumuşama noktası testi [3], Penetrasyon testi [4], Vizkozite tayini [5] ve Kül miktarı analizi deneyler yapılmıştır; Deneyler ilgili Standartlarda belirtilen esaslara göre yapılmış olup tüm deneylerde aynı standart koşullar uygulanmıştır. Bu amaçla kırılmış bitümlü artık malzeme asfalt betonu içindeki ince agregayla ikameli, yani belli oranda ince agrega azaltılarak yerine bu malzeme kullanılmıştır. Asfalt betonu karışım gurupları; 1. gurup referans (kırılmış bitümlü artık malzeme kullanılmayan) ve 7 farklı oranda ince agrega yerine bu artık malzeme kullanılarak üretilen karışımlardır. Bu guruplar; Referans karışım, %5, %7,5, %10, %15, %20, %25, %30 oranlı karışımlardan oluşmaktadır. Bu deneylerin neticesinde çıkan sonuçlar karşılaştırılarak en uygun performansı veren karışım tespit edilmiştir. 3. Asfalt Betonu Deney Sonuçları Referans ve artık malzeme kullanılarak üretilen asfalt betonu üzerinde yapılan fiziksel deneyler yapılmış ve elde edilen sonuçlar Tablo 2 de verilmiştir. Referans ve artık malzeme kullanılarak üretilen asfalt betonu üzerinde Marshall testi yapılarak sonuçları Tablo 3 de verilmiştir (Şekil 5-6). Marshall testi sonucu elde edilen stabilite değişim grafiği Şekil 7 de verilmiştir.
M. İPEK et al./ ISITES2015 Valencia -Spain 1837 Şekil 5. Marshall testi için artık malzeme kullanılarak üretilen asfalt betonu numuneleri Şekil 6. Referans ve artık malzeme kullanılarak üretilen asfalt betonuna Marshall testi yapılması
M. İPEK et al./ ISITES2015 Valencia -Spain 1838 Tablo 2. Bitümlü sıcak karışıma ait fiziksel özellikler Numune Adı Bitüm miktarı Sıc. C Num. yük. (mm) Hav. Ağırlık (gr) Sudaki Ağırlık (gr) Doy. Yüzey Ağırlık (g) Hacim (cm 3 ) Hacim Özgül Ağ. Teorik özgül ağırlık Boşluk Agregalar Arası Boşluk Asfaltla Dolu Boşluk Ref. 5 145 65,96 1143,3 663,0 1150,5 487,5 2,35 2,43 3,46 13,02 73,47 Artık 5 5 145 66,7 1123,2 638,0 1129,5 491,4 2,29 2,40 4,61 15,24 69,74 Artık7,5 5 145 67,8 1117,3 630,8 1123,5 492,7 2,27 2,38 4,75 15,89 70,13 Artık10 5 145 69 1132,1 631,0 1139,0 508,2 2,23 2,37 5,90 17,35 65,99 Artık15 5 145 71 1135,2 630,9 1125,6 509,1 2,20 2,36 5,59 17,80 65,20 Atık20 5 145 75,5 1143,5 596,1 1150,5 554,3 2,06 2,31 10,59 23,50 54,93 Artık25 5 145 75,8 1130,2 598,5 1140,3 560,5 2,03 2,28 11,5 25,8 53,6 Atık30 5 145 76,2 1124,0 555,2 1130,5 575,2 1,95 2,24 12,95 27,54 52,96 Tablo 3. Bitümlü Sıcak Karışımın Marshall Test Sonuçlar Numune Adı Atık Miktarı Bitüm miktarı Akma (mm) Stabilite (kg) Düzeltme Faktörü Düzeltilmiş Stabilite (kg) Standartça istenilen stabilite (kg) [6] Bitümlü Alt Binder Aşınma Temel (Min.) Tabakası (Min.) Tabakası (Min.) Ref. - 5 2,10 1140 0,943 1075,02 600 750 900 Artık5 5 5 3,80 1133 0,930 1053,69 600 750 900 Artık7,5 7,5 5 3,95 1050 0,902 947,63 600 750 900 Artık10 10 5 4,30 1018 0,876 891,77 600 750 900 Artık15 15 5 4,40 1010 0,865 873,65 600 750 900 Artık20 20 5 4,80 960 0,830 796,80 600 750 900 Artık25 25 5 5,20 931 0,768 715,75 600 750 900 Artık30 30 5 5,60 930 0,760 706,80 600 750 900
Düzeltilmiş Stabilite (kg) M. İPEK et al./ ISITES2015 Valencia -Spain 1839 1200 1000 800 600 400 200 0 Referans Artık5 Artık7,5 Artık10 Artık15 Artık20 Artık25 Artık30 Şekil 7. Marshall testi sonucu elde edilen stabilite değişim grafiği 4. Sonuç ve Değerlendirme Onduline bitümlü artık malzeme ile elde edilen sonuçlar Tablo 3. deki Karayollarının asfalt betonu dizayn sonuçlarıyla karşılaştırıldığında bu malzemenin karışımdaki ince agreganın yerine %7,5 oranına kadar binder ve aşınma tabakalarında kullanılabileceği, %20 ye kadar ise sadece binder tabakasında kullanılabileceği görülmüştür. Aynı zamanda yine bu artık malzemesinin karayollarında %30 oranına kadar bitümlü alt temel malzemesi olarak da kullanılabileceği anlaşılmaktadır. Bu malzemenin asfalt betonunda kullanılmasıyla bir geri dönüşüm sağlanarak hem çevresel olumsuz etkiler bertaraf edilmiş olacak hem de ekonomik bir katkı sağlanmış olacaktır. Ayrıca artık malzemenin yapısındaki selüloz liflerin asfaltta çatlama riskini azaltacağı söylenebilir. Kaynaklar [1] TS EN 12697-34, Bitümlü karışımlar - Deney metotları - Sıcak karışımlı asfalt için - Bölüm 34: Marshall deneyi,2008. [2] ASTM D1559-89, Test Method for Resistance of Plastic Flow of Bituminous Mixtures Using Marshall Apparatus, 1998. [3] TSE 120, Bitümlü maddelerin yumuşama noktası deneyi için metot, 1998. [4] TS 118 pren 1426, Petrol ürünleri-bitümler ve bitümlü bağlayıcılar iğne penetrasyonu tayini, 2002. [5] TS 1093 pren 12595, Petrol ürünleri-bitümler ve bitümlü bağlayıcılar-kinematik viskozite tayini, 2003. [6] Karayolları Genel Müdürlüğü, Karayolları Teknik Şartnamesi, 2013.